Pubblicazione tecnica #01

Pubblicazione tecnica #01 2015 Distribuita con Licenza Creative Commons Attribuzione Non commerciale Condividi allo stesso modo 4.0 Internazionale

2 QUANDO L'APS-C PUO' BATTERE IL FULL FRAME! 1. INTRODUZIONE Per Full Frame (FF) nel seguito intenderemo indicare le fotocamere, siano esse Reflex (SLR) o Mirrorless dotate di sensore di dimensioni nominali 36x24 mm, anche noto come formato 35mm o formato Leica. L acronimo APS-C sta invece per "Advanced Photo System type-c"; in pratica si tratta del formato ridotto corrispondente a un sensore di dimensioni nominali 24x16 mm, avente quindi una superficie pari a circa il 42% di quella del sensore FF, introdotto agli albori della fotografia digitale principalmente per contenere i costi: Di sensori APS-C ne esistono diverse varianti, a seconda del Produttore e del modello di fotocamera (cfr.: http://en.wikipedia.org/wiki/aps-c e http://it.wikipedia.org/wiki/reflex_digitale_pieno_formato Le fotocamere FF sono considerate le fotocamere high end adatte al settore pro-sumer, mentre in campo professionale sono utilizzate accanto alle ancor più costose Medio Formato, dove il sensore è ancora più grande. Vedete qui in figura il confronto tra MF ed il sensore utilizzato in una fotocamera compatta, tipicamente consumer: fig.1 fig.2 2. QUANDO L'APS-C PUO' ESSERE PREFERIBILE AL FULL FRAME! Normalmente, il passaggio da APS-C a FF è considerato un upgrade per il fotografo, sebbene sia comunemente noto che le fotocamere APS-C hanno un vantaggio sulle Full Frame quando si tratta di utilizzare obiettivi telefoto, ossia aventi focali lunghe adatte specialmente per la ripresa di soggetti distanti. In effetti nel seguito mi propongo di mostrare, anche con esempi numerici, che in questo specifico genere di fotografia, una fotocamera APS-C gode rispetto alla FF di due vantaggi importanti: Telefoto Advantage (vantaggio di moltiplicazione della focale) Reach Advantage (vantaggio di risoluzione e dimensione dell immagine)

3 2.1 Telefoto Advantage Si tratta del noto effetto per cui un obiettivo di focale fissa avente una determinata lunghezza focale (che è fisicamente determinata ed invariabile) offrirà sul sensore di formato ridotto (APS-C) un angolo di campo inferiore rispetto a quello offerto sul sensore a formato pieno (FF). Normalmente, l angolo di campo corrispondente a una data lunghezza focale si individua in ragione della diagonale del sensore, quindi rappresenta la misura dell angolo sotteso tra diagonale del sensore e lunghezza focale dell obiettivo. Al ridursi della diagonale del sensore, mantenendo fissa la lunghezza focale, si riduce l angolo di campo, proprio come, fisicamente, si riduce il campo inquadrato. In termini matematici, se indichiamo con A e B i lati del sensore e con C la sua diagonale, se F è la lunghezza focale, l'angolo di campo sarà dato dalla formula: fig.3 Al minore angolo di campo su APS-C corrisponde, se rapportato al formato FF, una lunghezza focale virtualmente maggiore, la cui maggiorazione è espressa dal fattore di crop. Poiché le varie grandezze sono per consuetudine rapportate al formato FF, il fattore di crop è definito come rapporto tra la diagonale del sensore FF (43,267 mm) e la diagonale del sensore di formato ridotto (28,844 mm). Nel caso di un sensore APS-C avente le misure nominali di 24mm x 16 mm e rapporto tra le dimensioni A:B di 3:2 (aspect ratio), il fattore di crop vale esattamente 1,50 ed è spesso indicato con la sigla 1,5x. Il fattore di crop di un sensore APS-C è genericamente pari a 1,5x ma, poiché i sensori APS-C variano da costruttore a costruttore, esso risulta essere in effetti diverso a seconda del tipo di fotocamera considerata. Un quadro riepilogativo, che comprende anche formati ridotti differenti da APS-C è il seguente:

4 Canon APS-H (crop factor 1,3) Leica M8 e M8.2 (crop factor 1,33). APS-C Nikon, Pentax, Samsung, Konica Minolta, Sony, Fujifilm (crop factor 1,5) APS-C Canon (crop factor 1,6) Se considerassimo fotocamere con sensori di altro formato, per esempio il formato "micro 4/3" (17,3mm x 13mm)o il formato di fotocamere compatte (cfr. figura precedente), il fattore di crop assume valori da 2,0x (es. per le Lumix e le Olympus "micro 4/3"), a 2,7x per le nuove Nikon 1 dove si utilizza il formato Nikon CX, a 4,5x circa (una compatta 1/1,7"), sino anche a 6x in altre applicazioni. L'effetto più evidente del fattore di crop è che un obiettivo fotografico con una data lunghezza focale, applicato ad una fotocamera con un sensore ridotto, restituisce un'immagine ritagliata centralmente (con un neologismo detta anche "croppata") rispetto a quella che restituirebbe sul sensore FF, che in termini di angolo di campo, corrisponde a quella prodotta da un obiettivo di lunghezza focale maggiore di un fattore pari al fattore di crop. Per esempio, un obiettivo con focale 50mm, applicato a un sensore con fattore di crop 1,5x, produce un'immagine che ha un angolo di campo uguale a quella prodotta da un obiettivo 75mm applicato a un sensore FF. Si parla quindi di focale equivalente, perché le lunghezze focali sono più comunemente note e più semplici da memorizzare, sebbene la lunghezza focale fisicamente non cambi, quindi più correttamente occorrerebbe ragionare in termini di angolo di campo inquadrato equivalente. In rosso, il campo inquadrato sul sensore FF e in blu quello inquadrato sul sensore APS-C da un obiettivo di una determinata lunghezza focale. fig.4 fig.5

5 In che consiste dunque il Telefoto Advantage? Nell'aumento della lunghezza focale "equivalente" Utilizzando una lente avente Focale F=300 mm su APS-C otterrò un campo inquadrato pari a quello di una lente di focale 450 mm su FF, con in più il fatto che, a parità di altri fattori - quali anzitutto la luminosità relativa, ossia la massima apertura di diaframma che la lente consente, spesso indicata con f/ o con A (aperture) - la lente da 300 mm sarà decisamente più piccola e leggera, oltre che meno costosa della lente da 450 mm. F (mm) Telefoto Advantage (FOV --- Focal multiplier) FULL FRAME APS-C gamma (deg) F (mm) gamma (deg) focale angolo di campo focale 300 8,25 300 450,0 5,50 200,0 angolo di campo 5,50 8,25 fig.6 In questa tabella si nota anche il rovescio della medaglia, le lenti grandangolari sono sfavorite su APS-C, in quanto il minore campo inquadrato costringe ad utilizzare focali minori quando si desidera avere un angolo di campo analogo a quello ottenibile su FF. 2.2 Reach Advantage L effetto del crop factor si traduce su APS-C in una moltiplicazione della focale, come fosse inquadrata da un obiettivo di focale più lunga: Focale equivalente = Focale * crop factor ma si traduce in un vantaggio reale di ingrandimento, quindi di risoluzione e dimensione, dell immagine inquadrata riportata sul sensore APS-C? Riguardando la fig.4, si può immediatamente constatare che, disponendo di una fotocamera FF, sarà sempre possibile "ritagliare" dall'immagine ottenuta la porzione inquadrata dal sensore APS-C per ottenere la stessa immagine, esattamente con la stessa prospettiva... ma non sempre si otterrà esattamente la stessa immagine! Qui entra in gioco la caratteristica "digitale" delle immagini di cui stiamo discorrendo, il sistema di rilevazione digitale dell immagine, che è affidato agli elementi sensibili presenti sui sensori (fotodiodi) e che generalmente è espresso dalla risoluzione in MPx del sensore. L'immagine sarà riprodotta su ciascuno dei due sensori a confronto con una risoluzione che dipende dalle loro caratteristiche costruttive. Vediamo in cosa consiste e in quali condizioni si ha il secondo fattore a vantaggio dell'aps-c, detto Reach Advantage. Facciamo il confronto tra una FF Nikon D610 da 6016 x 4016 = 24,16 MPx (il cui sensore misura 35,9 mm x 24 mm) ed una APS-C Pentax K5 da 4928 x 3264 = 16,08 MPx (il cui sensore misura 23,7 mm x 15,7 mm). Il fattore di crop della APS-C rispetto alla diagonale della FF qui vale 43,183 / 28,429 = 1,52x. Un telefoto da 300 mm equivarrà come inquadratura ad una focale di 455,7 mm su APS-C. Un'immagine ripresa con l'aps-c ha ovviamente la risoluzione di 4928 x 3264 pixel, che a 300 dpi corrisponde ad una dimensione in stampa di 41,72 cm x 27,64 cm. La stessa inquadratura ripresa con la FF e con la stessa focale, ritagliata in modo da essere uguale a quella ripresa con l'aps-c, avrà una dimensione pari a 6016 * (23,7 / 35,9) = 3972 px sul lato orizzontale; 4016 * (15,7 / 24) = 2627 pixel sul lato verticale, che a 300 dpi corrisponde ad una dimensione in stampa di 33,63 cm x 22,24 cm, quindi la FF offrirà un'immagine più piccola del 54 % in termini di superficie di stampa!

6 Vediamo un esempio con immagini reali fig.7 L'immagine inquadrata dalla FF col telefoto da 300mm è a più ampio angolo di campo rispetto a quella che inquadrerebbe lo stesso teleobiettivo sull'aps-c. Posso partire dall immagine ripresa dalla FF e croppare sino ad ottenere quella inquadrata dall'aps-c, ma... siccome i sensori hanno differente risoluzione, se confronto le dimensioni effettive delle due immagini rese dai due sensori ottengo questo: fig.8

7 l'aps-c offrirà un'immagine più grande del 54 % in termini di risoluzione e quindi in stampa! Questa differenza dipende dalla differente densità di pixel dei due sensori Il sensore dell'aps-c ha una densità di pixel di circa 207,9 px/mm, mentre il sensore FF di circa 167,5 px/mm, ovvero il primo ha una pixel density lineare del 24% maggiore, che in termini di area diventa 1,24 x 1,24 = 1,54 ovvero il 54% maggiore. L'effetto di ingrandimento dell immagine inquadrata riportata sul sensore APS-C è reale quando la pixel density del sensore APS-C è maggiore di quella del sensore FF. Quindi il fattore di crop non esprime una misura esatta del vantaggio sulle focali telefoto (telefoto advantage) di una Aps-c rispetto a una Full Frame, in quanto il vantaggio reale dipende dalla densità di pixel dei due sensori. Come abbiamo visto, l immagine ottenuta su FF può essere croppata sino ad ottenere la stessa immagine riprodotta sul sensore APS-C. A questo punto entra in gioco il sensore digitale, nel senso che entra in gioco il sistema di rilevazione digitale dell immagine, che è affidato agli elementi sensibili presenti sui sensori (fotodiodi) e che generalmente è espresso dalla risoluzione in MPx del sensore. Il fattore di crop vale: 1,52x Il rapporto di Pixel density vale: 1,24x (la APS-C ha una densità di pixel del 24% superiore alla FF) Analogamente, l'effetto di ingrandimento (Reach Advantage) si può anche valutare considerando "l'angolo di campo" (Field of View = FOV) dell'immagine prodotta sul sensore FF, croppata sino ad avere la stessa risoluzione di quella prodotta dal sensore APS-C. Ragionando in termini di focale equivalente, nel caso dell'esempio, sappiamo che essa su APS-C vale: F *fattore di crop = 300 nn x 1,52 = 455,7 mm alla risoluzione dell'aps-c che è 4928 x 3264 pixel L'immagine completa sul sensore FF viene prodotta a 6016 x 4016 pixel, da questa il ritaglio centrale che corrisponde a 4928 x 3264 pixel corrisponde ad un FOV espresso come lunghezza focale equivalente di: FOV = [FF / Aps-c] * F = (6016 / 4928) *300 mm = 366 mm il rapporto tra 455,7 mm e 366 mm vale 1,24, esattamente pari al rapporto di Pixel Density In altri termini, mantenendo sulla FF la stessa risoluzione dell'immagine prodotta dall'aps-c, quest'immagine croppata corrisponde ad un angolo di campo espresso come focale di soli 366 mm, anzichè di 455,7 mm come ottenuto con l'aps-c. A parità di dimensione dell'immagine in pixel, l'aps-c presenta un vantaggio di focale equivalente pari proprio al rapporto di Pixel Density. Chiaramente, qualora la densità di pixel dei due sensori fosse la stessa, non ci sarebbe alcun vantaggio per l'aps- C in quanto l'immagine della FF potrebbe essere croppata sino ad ottenere lo stesso campo inquadrato dell'immagine ripresa con APS-C, ottenendo la stessa risoluzione finale per le due immagini. Parimenti, l'immagine della FF potrebbe essere croppata alla risoluzione dell'immagine dell'aps-c ottenendo lo stesso angolo di campo equivalente. Una FF che eguaglia l'aps-c è la Nikon D800 / 810, il cui sensore da 36 MPx ha una pixel density di circa 205 px/mm, praticamente pari a quella della Pentax K5 dell'esempio.

8 3. CONSIDERAZIONI FINALI Ci sono quindi degli aspetti da considerare nel confrontare l'utilizzo di una fotocamera APS-C rispetto ad una FF, in particolare nell'utilizzo di obiettivi telefoto (caccia fotografica, fotografia sportiva, ecc.), perchè l'aps-c generalmente gode rispetto alla FF di due vantaggi importanti: Telefoto Advantage (vantaggio di moltiplicazione della focale) Reach Advantage (vantaggio di ingrandimento dell immagine) Trattando il caso dei teleobiettivi, per neutralizzare il Telefoto Advantage occorre ricorrere ad obiettivi di focale 1,5 volte quella utilizzata su APS-C, il cui costo e peso sono notevolmente maggiori. Per neutralizzare il Reach Advantage, è necessario passare da una APS-C da 16 MPx ad una FF da 36 MPx il cui costo d'acquisto, solo corpo macchina, è in media il triplo. Il confronto che ho presentato riguarda peraltro gli aspetti strettamente "ottici" e "matematici" dei due tipi di sensore, mentre non entra nel merito della "qualità" complessiva dell'immagine resa, che sarà differente specie ad alti valori di sensibilità ISO, per profondità di campo e resa dello sfuocato, per i fenomeni di diffrazione ecc., che intervengono a differenziare il risultato finale nei due casi. Tant'è vero che, portando all'estremo il ragionamento, potrebbe sembrare opportuno con i teleobiettivi, l'impiego di sensori di dimensioni ridotte (quindi con elevati fattori di crop) e/o con elevati valori di pixel density, mentre invece sappiamo che i primi sono prevalentemente utilizzati nelle fotocamere più compatte ed i secondi comportano un decadimento della risoluzione dell'immagine resa, specialmente ad elevati valori di sensibilità ISO. Non dobbiamo infatti dimenticare che la fotografia si basa sulla "luce visibile"; quindi su quella piccola porzione di spettro elettromagnetico dove le radiazioni hanno una ben precisa lunghezza d'onda (compresa tra 700 nm e 400 nm), quindi tutti i fenomeni fisici ed elettromagnetici che ruotano attorno a questa tecnologia sono governati e condizionati da precise "dimensioni" fisiche dalle quali non si può prescindere: le dimensioni delle ottiche, le dimensioni e la densità dei fotodiodi del sensore, ecc., che impongono dei limiti fisici per i quali non è possibile generalizzare ed estrapolare un ragionamento "lineare" come quello esposto relativamente ai vantaggi del sensore APS-C. Perciò, dobbiamo concludere che certamente per le fotocamere APS-C e FF oggi in commercio esiste un range di dimensioni del sensore, assieme ad un relativo range di pixel density, entro cui le APS-C presentano i due vantaggi importanti sopra dimostrati. E' anche noto che una fotocamera con sensore FF presenta una serie di proprie peculiarità e vantaggi che in tanti impieghi la rendono preferibile ad una fotocamera con sensore APS-C, il che potrà essere oggetto di un altro ebook.

9 4. Scheda di confronto tra FF e APS-C NIKON D610 24x36 A (mm) 35,9 B (mm) 24 C (mm) 43,183 APS-C A (mm) 23,7 B (mm) 15,7 C (mm) 28,429 crop 1,51 1,53 1,52 Mpx a (px) 6016 b (px) 4016 MPx 24,16 Mpx a (px) 4928 b (px) 3264 MPx 16,08 Px ratio vs. Aps-c 1,22 1,23 1,50 Px density px/mm 167,58 167,33 167,45 Px density px/mm 207,93 207,90 207,92 Px density Mpx/cm2 2,80 Px density Mpx/cm2 4,32 Px pitch micron 5,97 Px pitch micron 4,81 PENTAX K5-II Telefoto Advantage (FOV --- Focal multiplier) = crop factor Pixel Density Advantage (Photographic reach advantage) MegaPixel required to FF with equivalent Pixel Density = 1,52 24,2% 37,25 Pixel pitch Advantage (sensitvity) Pixel area Advantage (sensitvity) 24,1% 54,0% è uguale al Pixel advantage in termini di ph. Reach, ma è a vantaggio della FF (ove >0) L'area di un pixel della FF è n% volte più grande di quello della Aps-c F (mm) Telefoto Advantage (FOV --- Focal multiplier) alfa (deg) beta (deg) gamma (deg) F (mm) alfa (deg) beta (deg) gamma (deg) focale angolo di campo lato A angolo di campo lato B angolo di campo focale angolo di campo lato A angolo di campo lato B angolo di campo 300 6,84 4,57 8,23 300 4,52 3,00 5,43 455,7 4,51 3,01 5,43 197,5 6,86 4,54 8,23 Pixel Density Advantage (Photographic reach advantage) - Basato sullo stesso FOV (stesso Angolo di campo) dimensione immagine non croppata Aps-c dimensione immagine FF croppata allo stesso FOV dell'aps-c Pixel Advantage (Photographic reach advantage) px A 4928 B 3264 px Ac 3972 = a (FF) / crop Bc 2627 1,24 = A / Ac 1,24 -Se la Pixel density dell'aps-c è maggiore di quella della FF, allora c'è un vantaggio di ingrandimento, perché - a parità di Fied of View - l'immagine Aps-c è più grande di quella della FF di una % pari al suddetto fattore "pixel adv" Pixel Density Advantage dimensione immagine non croppata Aps-c dimensione immagine FF croppata allo stesso FOV dell'aps-c Pixel Advantage (Photographic reach advantage) dpi in stampa dim. stampa A (cm) dim. stampa B (cm) A*B (cm2) 300 41,72 27,64 1153,04 300 33,63 22,24 747,94 54,2% Pixel Density Advantage (Photographic reach advantage) - Basato sulla stessa Dimensione immagine in pixel (con differente Angolo di campo) FOV Aps-c FOV dell'immagine FF croppata alla stessa dimensione dell'immagine Aps-c (espressa in mm di focale) Pixel Advantage (Photographic reach advantage) mm F 456 = F (FF) * crop mm Fc 366 = a (FF) / a (Aps-c) * F 1,24 = F / Fc -Se la Pixel density dell'aps-c è maggiore di quella della FF, allora c'è un vantaggio di focale perché - a parità di dimensione immagine in pixel - la focale equivalente (in termini di FOV) dell'aps-c è più grande di quella della FF di una % pari al suddetto fattore "pixel adv" -Il fattore di crop non esprime una misura esatta del vantaggio sulle focali telefoto (reach advantage) di una Aps-c rispetto a una Full Frame, in quanto esso dipende dalla densità di pixel dei due sensori. Qualora la densità di pixel fosse la stessa, non ci sarà alcun vantaggio in quanto l'immagine della FF potrà essere croppata sino ad ottenere lo stesso FOV dell'immagine ripresa con Aps-c, ottenendo la stessa risoluzione finale.